Pôles et zéros de la matrice de diffusion et absorption parfaite cohérente dans les environnements réverbérants réglables

Poles and zeros of the scattering matrix and coherent perfect absorption in tunable reverberating environments

• Auteur / Autrice : Junjie Lu
• Direction : Ulrich Kuhl, Olivier Legrand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/09/2024
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique de Nice
• Jury : Président / Présidente : Claire Migliaccio
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ulrich Kuhl, Olivier Legrand, Claire Migliaccio, Matthieu Davy, Tsampikos Kottos, Dmitry Savin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Matthieu Davy, Tsampikos Kottos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Micro-ondes

Weyl, Problème de

Matrices aléatoires

Superradiance

Absorption

Mots clés libres

Absorption parfaite cohérente

Superradiance

Théorie des matrices aléatoires

Loi de Weyl

Réseaux micro-ondes

Chambre réverbérante

Coherent perfect absorption

Superradiance

Random matrix theory

Weyl's law

Microwave networks

Reverberation chambers

Résumé

Dans la thèse, je présente des résultats expérimentaux sur les réseaux micro-ondes et les chambres réverbérantes. La description générale est basée sur la théorie de la diffusion, décrivant la réflexion et la transmission via les pôles et les zéros de la matrice de diffusion. Les pôles et les zéros peuvent être déterminés par l'approche de l'hamiltonien effectif, où couplage et perte peuvent être pris en compte de manière appropriée. La thèse est divisée en deux thèmes de recherche principaux : le premier concerne les réseaux micro-ondes, simulant des graphes quantiques, abordant les comportements non-Weyl se produisant en raison de l'ouverture du système. Le second est dédié à l'absorption parfaite cohérente (CPA) dans les chambres réverbérantes à fortes pertes.Les réseaux hyperfréquences sont décrits par des liaisons reliées par des vertex. Pour la première fois, une variation de la force de couplage au réseau est implémentée expérimentalement. Ceci est réalisé en utilisant une liaison pendante de longueur variable attachée au vertex de couplage. Ainsi, nous faisons varier indirectement la condition aux limites au vertex de couplage de Dirichlet à Neumann. En suivant les pôles dans le plan complexe, on peut observer la fuite des pôles via une transition superradiante. Ces pôles manquants conduisent à une réduction du nombre de pôles, rendant ainsi nécessaire un ajustement de la loi de Weyl, appelée comportement non-Weyl dans les graphes. Cela a été observé pour la première fois dans des graphes tétraédriques ouverts, qui montrent une dynamique paramétrique complexe des pôles. Cette dynamique riche est constituée de boucles, de régions de pôles connectés et de pôles se rapprochant d'une partie imaginaire infinie. Les principales caractéristiques se trouvent déjà dans les graphes de type lasso, qui peuvent être résolus analytiquement.Le deuxième sujet concerne les chambres réverbérantes, où les ondes électromagnétiques sont diffusées dans un environnement accordable. Par rapport aux chambres réverbérantes standards, celle-ci est équipée de surfaces intelligentes reconfigurables (RIS). Ces dernières nous permettent d'ajuster les zéros de la matrice de diffusion sur l'axe des fréquences réelles, ce qui correspond à un concept récent nommé CPA en physique des ondes, où aucune onde ne s'échappe d'un système avec perte pour une onde incidente spécifique. Nos résultats expérimentaux imposent que l'existence des CPA ne puisse être expliquée que par les états superradiants correspondants. Cette correspondance est confirmée numériquement à travers une approche matricielle aléatoire basée sur l'hamiltonien effectif en régime de surcouplage, généralement négligé dans les études théoriques. De plus, nous constatons que les zéros de la matrice de diffusion proches de l'axe réel sont plus sensibles dans le cas surcouplé que dans le cas sous-couplé. Enfin, nous démontrons que la CPA peut être utilisée comme sonde de température.

In the thesis, I present experimental results on microwave networks and reverberation chambers. The general description is based on scattering theory, describing the reflection and transmission via poles and zeros of the scattering matrix. The poles and zeros can be determined by the effective Hamiltonian approach, where coupling and loss can be taken into account appropriately. The thesis is divided into two main research subjects: the first one deals with microwave networks, simulating quantum graphs, addressing non-Weyl behavior occurring due to the openness of the system. The second one is dedicated to coherent perfect absorption (CPA) in reverberation chambers with large losses.Microwave networks are described by bonds which are connected by vertices. For the first time a variation of the coupling strength to the network is experimentally implemented. This is realized by using a dangling bond with variable length attached to the coupling vertex. Thus we indirectly vary the boundary condition at the coupling vertex from Dirichlet to Neumann. Following the poles in the complex plane, one can observe the escape of poles via a superradiant transition. These missing poles lead to a reduction of the number of poles, thus making an adjustment of Weyl's law necessary, which is termed non-Weyl behavior in graphs. This was first observed in open tetrahedral graphs, which show a complex parametric dynamics of the poles. This rich dynamics consists of loops, regions of connected poles and poles approaching infinite imaginary part. The main features can be already found in lasso graphs, which can be solved analytically.The second subject concerns reverberation chambers, where electromagnetic waves are scattered in a tunable environment. Compared to standard reverberation chambers, this one is equipped with reconfigurable intelligent surfaces (RIS). The latter allow us to tune the zeros of scattering matrix to the real frequency axis, which corresponds to a recent concept named CPA in wave physics, where no wave is escaping from a lossy system for a specific incident wave. Our experimental findings impose that the existence of CPAs can only be explained by corresponding superradiant states. This correspondence is numerically confirmed through a random matrix approach based on the effective Hamiltonian in the over-coupling regime, generally neglected in theoretical studies. Additionally, we find that the zeros of the scattering matrix close to the real axis are more sensitive in the overcoupled case than in the undercoupled one. Finally, we demonstrate that the CPA can be used for temperature sensing.